第四章真空光电器件
光电成像原理与应用复习资料
光电成像原理与应⽤复习资料1、光电效应应按部位不同分为内光电效应和外光电效应，内光电效应包括（光电导）和（光伏效应）。
2、真空光电器件是⼀种基于（外光电）效应的器件，它包括（光电管）和（光电倍增管）。
3、光电导器件是基于半导体材料的（光电导）效应制成的，最典型的光电导器件是（光敏电阻）。
4、硅光电⼆极管在反偏置条件下的⼯作模式为（光电导），在零偏置条件下的⼯作模式为（光伏模式）。
5、变象管是⼀种能把各种（不可见）辐射图像转换成为（可见）图像的真空光电成像器件。
6、固体成像器件电荷转移通道主要有两⼤类，⼀类是（SCCD），另⼀类是（BCCD）。
7、光电技术室（光⼦技术）和（电⼦技术）相结合⽽形成的⼀门技术。
8、场致发光有（直流）、（交流）和结型三种形态。
9、常⽤的光电阴极有（正电⼦亲合势光电阴极）和（负电⼦亲合势光电阴极），正电⼦亲和势材料光电阴极有哪些（Ag-O-Cs,单碱锑化物，多碱锑化物）。
10、根据衬底材料的不同，硅光电⼆极管可分为（2DU）型和（2CU）型两种。
11、像增强器是⼀种能把（微弱）增强到可以使⼈眼直接观察的真空光电成像器件，因此也称为（微光管）。
12、光导纤维简称光纤，光纤有（纤芯）、（包层）及（外套）组成。
13、光源按光波在时间，空间上的相位特征可分为（相⼲）和（⾮相⼲）光源。
14、光纤的⾊散有材料⾊散、（波导⾊散）和（多模⾊散）。
15、光纤⾯板按传像性能分为（普通OFP）、（变放⼤率的锥形OFP）和（传递倒像的扭像器）。
16、光纤的数值孔径表达式为（），它是光纤的⼀个基本参数、它反映了光纤的（集光）能⼒。
17、真空光电器件是基于（外光电）效应的光电探测器，他的结构特点是有⼀个（真空管），其他元件都置于（真空管）。
18、根据衬底材料的不同，硅光电电池可分为（2DR）型和（2CR）型两种。
19、根据衬底材料的不同，硅光点⼆、三级管可分为（3DU）型和（3CU）型两种。
20、为了从数量上描述⼈眼对各种波长辐射能的相对敏感度，引⼊视见函数V（f）, 视见函数有（明视见函数）和（暗视见函数）。
第5章真空光电器件
真空光电器件是基于外光电效应的光电探测器
真空光电器件包括光电管和光电倍增管
结构特点:有一个真空管、一个光电阴极和一个光电阳 极。光电阴极和其它元件都放在真空管中。
什么是光电阴极?
能够产生光电发射效应的物体称为光电发射体，光电 发射体在光电器件中常与阴极相联故称为光电阴极 。
一.光电阴极 (一).光电阴极的主要参数
简述真空型和充气型两 种光电管的工作原理?
工作原理
(二). 光电倍增管(PMT)
GDB-223 1．光光电电倍倍增增管管的是结在构光电管的基础上研制出来的一种真空光 电器件光，电在倍结增构管上主增要加由了入电射子窗光口学、系光统电和阴电极子、倍电增子极光，学因系此统、 极电大子的倍提增高系了统检和测阳灵极敏五度个。主要部分组成。
它表示在某些特定的波长区域，阴极光电流与入射光的 光通量之比。
的透射一比般不用同不，同它的实的又滤际积分光上分别片是灵称来局敏为获部度蓝得波光不长灵同范敏的围度光、谱红范光围灵，敏滤度光及片红 外灵敏。
(3) 光谱灵敏度
波长一定的单色光照射时，光电阴极发出的光电流
与入射的单色光通量之比。
2.量子效率
S() I () e ()
阴极发射的光电子数 Ne(λ)与入射的光子数 Np(λ)之比，
称为量子效率:
() Ne ()
Np ()
可以看出：
量子效率和光谱灵敏度之间的关系:
量子效率和
光谱灵敏度
() I () / q S()hc S()1240
e () / h q
是同一物理 意义的两种 不同描述
● 光谱响应率均匀,且光谱响应延伸到红外；
● 热电子长发波射限小为，表面附近无长自波由限电为子，P-Si禁带宽度大，
真空光电元件
4.1光電陰極一、光電陰極的主要參數1.靈敏度(1)光照靈敏度(2)色光靈敏度(3)光譜靈敏度就是局部光譜區域的積分靈敏度。
它表示在某些特定的波長區，通常用特性已知的濾光片（藍色為QB24、紅色為HB11、紅外為HWB3）插入光路，然後測得的光電流與未插入濾光片時陰極所受光照的光通量之比。
根據插入濾光片的光譜透射比的不同（圖4-1），它又分別稱為藍光靈敏度、紅光靈敏度及紅外靈敏度。
2.量子效率量子效率和光譜靈敏度是一個物理量的兩種表示方法。
它們之間的關係如下(4.1)：式中λ單位為nm；S(λ)為光譜靈敏度，單位為A/W。
3.光譜響應曲線光電陰極的光譜靈敏度或量子效率與入射輻射波長的關係曲線，稱為光譜響應曲線。
真空光電元件中的長波靈敏度極限，主要由光電陰極材料的截止波長決定。
4.熱電子發射光電陰極中有少數電子的熱能大於光電陰極游離能，因而產生熱電子發射。
室溫下典型陰極每秒每平方厘米發射二個數量級的電子，相當於10∼10Acm的電流密度。
這些熱發射電子會引起雜訊，限制著感測器的靈敏度極限。
二、銀氧銫（Ag-O-Cs）光電陰極銀氧銫陰極是最早出現的實用光電陰極。
目前，除了Ⅲ-Ⅴ族的光電陰極外，它仍然是在近紅外區具有使用價值的唯一陰極。
銀氧銫陰極是以Ag為基底，氧化銀為中間層，上面再有一層帶有過剩Cs原子及Ag原子的氧化銫，而表面由Cs原子組成，可用Ag−CsOAgCs-Cs的符號表示，如圖4-2⒜所示。
有一些光電元件也有不用氧化，而是用硫化，或以鹼金屬代替銫原子，目的都是希望得到高的響應率及合適的光譜響應範圍。
Ag-O-Cs光電陰極的光譜響應曲線如圖4-2⒝所示。
銻銫陰極的典型光譜響應曲線如圖4-3所示。
它在可見光的短波區和近紫外區（0.3∼0.45μm）響應度最高，其量子效率可達25%，截止波長在0.65μm附近；它的典型光照靈敏度達60μA/lm，比銀氧銫陰極高得多。
CsSb陰極的熱電子發射（約10A/cm）和疲勞特性均優於銀氧銫陰極，而且製造技術簡單，目前使用比較普遍。
光电检测技术复习
第四章 光电导器件
• 工作原理 • 主要特性参数 • 偏置电路和噪声 • 特点与应用
工作原理
• 基于内光电效应（光电导效应） • 暗电流、亮电流、光电流及三者的关系
IP
U L
A
U L
q( nn
p p
)A
qUN L2
(
n
p
)
主要特性参数
• 光电灵敏度 g p Sg E
• 用负载电阻实现电流电压转换
• 用运算放大器实现电流电压转换
光电倍增管的应用
– 负电子亲合势及其特点
光电管与光电倍增管
• 光电管
– 玻壳、光电阴极和阳极组成，真空型和充气型
• 光电倍增管
– 基于外光电效应和二次电子发射效应 – 结构上与光电管的区别：电子光学系统和倍增
级
光电倍增管
• 工作原理 • 典型参数
阴极K
D2
D4
D1
D3
D5
U1 U2 U3
U4 U5
U6
A阳极 μA
I p I0 (e kT 1)
硅光电池
• 特性参数
– 光照特性——开路时、短路时、有限负载时
线性区
IL
Uoc1 Uoc2 Uoc3 Uoc4
Isc1 Isc2
Isc3
E1
U
E2
E3 E4
RL2
Isc4
RL1
硅光电二极管和三极管
• 一般在反向偏压下工作
I
E=0
U
E1
E2 光导工作区
qU
IL I p I0( e kT 1) IP I0 IP SEE
第4章 光电发射器件
光电发射器件是基于外光电效应的器件，它包括真空光电 光电发射器件是基于外光电效应的器件，它包括真空光电 二极管、光电倍增管、变像管、像增强器和 二极管、光电倍增管、变像管、像增强器和真空电子束摄像管 等器件。 等器件。 真空光电发射器件具有极高的灵敏度、快速响应等特点， 真空光电发射器件具有极高的灵敏度、快速响应等特点，它 极高的灵敏度 等特点 在微弱辐射的探测和快速弱辐射脉冲信息的捕捉等方面仍具有相 微弱辐射的探测和快速弱辐射脉冲信息的捕捉等方面仍具有相 脉冲信息的捕捉 当大的应用领地。 当大的应用领地。
13
36
4.3 光电倍增管的基本特性
1. 灵敏度 (1) 阴极灵敏度 光电倍增管阴极电流I 与入射光谱辐射通量之比, 光电倍增管阴极电流 k与入射光谱辐射通量之比, 称为阴极的光谱灵敏度， 称为阴极的光谱灵敏度，即：
Sk ,λ Ik = Φe,λ
(4-2)
若入射辐射为白光，则以阴极积分灵敏度， 若入射辐射为白光，则以阴极积分灵敏度，Ik与光 谱辐射通量的积分之比，记作S 谱辐射通量的积分之比，记作 k
Sk =
∫
∞
Ik Φ e,λ dλ
(4-3)
14
0
(2) 阳极灵敏度 光电倍增管阳极输出电流Ia与入射光谱辐射通量之 比称为阳极的光谱灵敏度， 比称为阳极的光谱灵敏度，即：
Sa ,λ
Ia = Φe, λ
(4-4)
若入射辐射为白光，则定义为阳极积分灵敏度，记为 若入射辐射为白光，则定义为阳极积分灵敏度，记为Sa
9
(1) 真空型光电管的工作原理 当入射光透过真空型光电管的入射窗照射到光电阴 极面上时，光电子就从阴极发射出去， 极面上时，光电子就从阴极发射出去，在阴极和阳极之 间形成的电场作用下，光电子在极间作加速运动， 间形成的电场作用下，光电子在极间作加速运动，被高 电位的阳极收集， 电位的阳极收集，其光电流的大小主要由阴极灵敏度和 入射辐射的强度决定。 入射辐射的强度决定。 (2) 充气型光电管的工作原理 光照产生的光电子在电场作用下运动， 光照产生的光电子在电场作用下运动，途中与惰性 气体原子碰撞而电离，电离又产生新电子， 气体原子碰撞而电离，电离又产生新电子，它与光电子 一起被阳极收集， 一起被阳极收集，形成数倍于真空型光电管的光电流 .
4.1真空成像器件解析
南京理工大学 何勇
光电成像器件 －－真空光电器件
(三)、主要参数
1．光电特性
摄象管输出的光电流与入射的光照度之间的 函数关系常表示为
Ip=kEγ
Ip：光电流 γ：光照指数 E：照度 k：比例系数
由图可见，在光电转换特性中最重要的参量是γ。γ＝1表示Ip与E成正比例关系， 这时，电视信号的灰度等级均匀。γ＜1，电视信号有均匀的灰度畸变，但此时 在低照度下的灵敏度有相对的增加，高照度下的光电特性呈一定的饱和状态。γ ＝1有利于提高暗场时的信噪比，γ＜l有利于扩展动态范围，γ＞1是不适用的。
光电成像器件 －－真空光电器件
2. 内光电变换型（光电导型）
把没有移象区的摄象管称为光 电导式摄象管或视象管，它的 两部分功能全由一个靶来完成。 电子枪部分二者基本相同。这两类管子比 较，光电发射式摄象管历史最早，信号质 量也最高，但体积大，结构复杂，调整麻 烦，所以目前除特殊场合（微光摄象领域） 外一般用得较少。光电导式摄象管比前者 体积小，结构简单，信号质量有的也接近 于前者，所以电视领域中用得较为普遍。
南京理工大学 何勇
光电成像器件 －－真空光电器件
（二）基本原理
摄象管的工作原理是：先将输入的光学图象转 换成电荷图象，然后通过电荷的 积累和储存构成电 位图象，最后通过电子束扫描把电位图象读出，形成 视频信号输出。
南京理工大学 何勇
光电成像器件 －－真空光电器件
摄象管具有三个基本功能：光电变换、光电信息的积累、储存及 扫描输出。当被摄景物的光学图象通过物镜投射到摄象管上时， 由于摄象管受照面的材料具有光导或光电发射作用，在摄象管的 靶面上(或光电阴极面上)就建立起与入射照度分布相对应的电位 起伏，这就完成了光电变换的功能，从电子枪发射出来的电子束 依次沿着靶面扫描，扫描线经过某一点(称为象素)的时间只占扫 描整个光敏面所需周期的极小部分(0.062μs)，为了提高检测灵 敏度，每个象素在扫描周期内应不间断地对转换后的电量进行积 累，这时靶又起到了积累存储光电信息的功能，当电子束依次沿 着靶面扫描，将靶面的电位起伏顺序地转变成视频信号输出，就 完成了扫描输出的功能。
《真空光电器》课件
与气体光电器件相比，真空光电器件 具有更高的光电转换效率和能量利用 率，能够实现高效的光电转换和能量 转换。
与液体光电器件相比，真空光电器件 具有更长的使用寿命和更高的稳定性 ，能够在各种环境下稳定工作。
PART 04
真空光电器的制造工艺和 材料
REPORTING
真空光电器制造工艺流程
清洗与切割
如金、银、铜等，用于电极和导线的制作，提供良好的导电性能。
陶瓷材料
如氧化铝、氮化硅等，用于绝缘和支撑结构，提供良好的机械稳定 性。
真空光电器制造中的关键技术
真空技术
在制造过程中维持真空环境，确保光电器件的正常工作。
薄膜技术
通过物理或化学方法在材料表面形成均匀、连续的薄膜，是制造 光电器件的关键步骤。
对未来研究的建议
加强基础研究 深入研究真空光电器件的物理机 制、材料特性、工艺技术等方面 的知识，为器件性能的提升提供 理论支持。
加强国际合作与交流 积极参与国际学术交流与合作， 引进先进技术，提高我国在真空 光电器件领域的国际竞争力。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
创新材料与工艺 探索新型材料和工艺，以提高真 空光电器件的性能和稳定性，降 低制造成本，提高生产效率。
特点
高速度、低噪声、高可靠性、长寿命 等。
真空光电器的重要性
01
02
03
信息传输
真空光电器在高速光纤通 信网络中扮演着关键角色 ，能够实现高速、大容量 的信息传输。
信息处理
真空光电器具有高速并行 处理能力，能够用于高性 能计算、图像处理等领域 。
存储技术
真空光电器可以实现高密 度、快速读写的信息存储 ，对未来信息技术的发展 具有重要意义。
智能化与自动化
第4章真空光电器件
光电倍增管中的二次电子发射材料要求： ①在低的工作电压下具有大的二发射系数值； ②热电子发射小， ③在较高温度和较大的一次电子密度条件下， 发射系数保持稳定。 常用的倍增极材料有： ①复杂的半导体型②合金型③负电子亲和势型
(2)倍增极结构 根据电子轨迹的型式可分为两大类，即聚 焦型和非聚焦型。 凡是由前一倍增极来的电子被加速和会聚 在下一倍增极上，在两个倍增极之间可能发生 电子束交叉的结构休为聚焦型。 非聚焦型形成的电场只能使电子加速，电 子轨迹都是平行的。
4．阳极 它的作用是接收从末级倍增极发射出的二次 电子，通过引线向外输出电流。对于阳极 的结构要求具有较高的电子收集率，能承 受较大的电流密度，并且在阳极附近的空 间不致产生空间电荷效应。此外，阳极的 输出电容要小，即阳极与末级倍增极及与 其它倍增极间的电容要很小．因此目前阳 极广泛采用栅网状结构。
根据电子倍增极的结构形式，目前光电倍增管 分成六种形式， ①鼠笼式：适宜与光谱仪器的狭缝匹配，特点 是结构紧凑，时间响应快 ②直线聚焦式：是一种聚焦式结构，用于端窗 式光电倍增管，特点是时间响应很快，线性 好。 ③盒栅式：用于端窗式光电倍增管。其主要特 点是均匀性和稳定性较好，但时间响应稍慢 一些。
二次发射过程可以分三步来描述： ①材料吸收一次电子的能量，激发体内电子到 高能态，这些被激电子称为内二次电子。 ②内二次电子中初速指向表面的那一部分向表 面运动，在运动过程中因散射而损失能量； ③如果到达界面的内二次电子仍有足以克服表 面势垒的能量，即逸出表面成为二次电子。
当一次电子能量过大， 电子穿透材料的有效深度 增加；尽管激发的内二次 电子数有所增加，但许多 深层的内二次电子在逸出 过程中，由于碰撞散射面 损失能量，结果不能逸出， 反而使二次发射系数 减 少。
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光电效应
第四章真空光电器件
4.1 光电阴极
4.2 光电管和光电倍增管结构原理4.3 光电倍增管的主要特性参数4.4 光电倍增管的工作电路
E A1=E0-E C1>0E A2=E0-E C2>0
～命 （寿热电子（导带底以上）价带上电子吸收光子
101014−−⎯⎯⎯→⎯光电发射过程分析：
NEA量子效率比常规发射体高得多！
第四章真空光电器件
4.1 光电阴极
4.2 光电管和光电倍增管结构原理4.3 光电倍增管的主要特性参数4.4 光电倍增管的工作电路
这类管子体积较大，工作电压高达百伏到数百伏，玻璃外壳容易破碎，它的一般应用目前已基本被半导体光电器件代替。
4.2.2 光电倍增管
Photomultiplier, 简称PMT
结构：光窗光电阴极电子光学系统电子倍增系统阳极
(a)侧窗式；(b)端窗式
2. 光电阴极
作用:
1) 光电转换能力
2) 长波波长阈值
3) 对整管灵敏度起决定性作用
3.
电子光学系统图4-12
作用:
1）收集率接近于1 2）渡越时间离散性Δt 最小
－－通过电场加速和控制电子运动路线
－－由许多倍增极组成，决定整管灵敏度最关键部分作用－－倍增10-15级倍增极
P74 图4-13
入射光照射到光电阴极K上，发射光电子，经电子光学系统加速，聚焦到倍增极上，发射出多个二次电子；电子经级倍增极，形成放大的阳极电流，在负载R L上产生放大的信号输出。
作用：－－收集最末一级倍增极发射出来的二次电子，向外电路输出电流。
结构：－－具有较高电子收集率，能承受较大电流密度，在阳极附近空间不产生空间电荷效应。
输出电容小。
阳极广泛采用栅网状结构。
第四章真空光电器件
4.1 光电阴极
4.2 光电管和光电倍增管结构原理4.3 光电倍增管的主要特性参数4.4 光电倍增管的工作电路
S K (?)=I
K?
/?
?λλΦ
I
S/
)
(
KλK
=
3．暗电流
•在施加规定的电压后，在无光照情况下测得的阳极电流。
•决定光电倍增管的极限灵敏度。
•限制可测的最小直流光通量，产生噪声的重要原因
•减小的方法包括：合理确定PMT的极间电压；直流补偿；选频或锁相放大器；致冷等。
恒流源－－计算和分析方法相同
第四章真空光电器件
4.1 光电阴极
4.2 光电管和光电倍增管结构原理4.3 光电倍增管的主要特性参数4.4 光电倍增管的工作电路
缺点：阴极负高压，屏蔽优点：屏蔽罩靠近阴极，效果好；暗电流小，噪声低
阴极接地(正高压接法)
优点：便于与后面放大器
相连，操作安全
缺点：高压不利于安全操作；
接耐压很高的隔直电容器。
()max A 20~10I
总电压U AK 在1000～1500 V 间，倍增极极间电压U D 在80100V 之间－－可以确定分压电阻
I R
I Amax
实例：
i. 第一级对阴极电流形成影响最大,高出
ii. 中间级均匀分配
iii. 最后一级,要高,克服空间电荷区的影响
探测光脉冲，最后几级脉冲电流很大，极间电压不稳－－最后几级并联旁路电容C1、C2、C3。
内有保护电路，在电源过载或短路时起作用
利用伏安特性：
负载电阻设计
输出电流
较大的负载电阻
1.频率响应变差
2.饱和引起非线性
1. 良好的线性
2. 良好频率响应特性
3. 转换效率高。